什么是石墨化？影響石墨化的因素是什么

石墨化是非石墨質(zhì)炭經(jīng)高溫?zé)崽幚?，充分利用電阻熱把炭質(zhì)材料加熱到 2300~3000 ℃，轉(zhuǎn)變成具有石墨三維規(guī)則有序結(jié)構(gòu)的石墨質(zhì)炭，使無定形亂層結(jié)構(gòu)的炭轉(zhuǎn)化成有序的石墨晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的過程。

整個(gè)過程是石墨晶質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，原子重排的能量來源于高溫?zé)崽幚?，使用高溫?zé)崽幚韺υ又嘏偶敖Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供能量，這一過程需要消耗大量能量，隨著熱處理溫度的提高，石墨層間距逐漸變小，一般在0.343~0.346 nm之間，一般溫度到2500 ℃時(shí)變化顯著，到3000 ℃時(shí)變化逐漸緩慢，直至完成整個(gè)石墨化過程。

石墨化作用主要有3點(diǎn)：

提高炭材料的熱、電傳導(dǎo)性，電阻率降低4-5倍，導(dǎo)熱性能提高10倍左右；

提高炭材料的抗熱震性和化學(xué)穩(wěn)定性(線膨脹系數(shù)降低50-80%)，使炭材料具有潤滑性和抗磨性，提高炭材料純度(產(chǎn)品灰分由0.5-0.8%降至0.3%左右)

提純除雜。當(dāng)石墨化溫度提高到接近2200℃時(shí)，鋰離子電池負(fù)極材料的雜質(zhì)基本上已經(jīng)被排除。

石墨化是人造石墨負(fù)極制備的核心工序，一定程度上決定了人造石墨產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量穩(wěn)定性；部分天然石墨也會通過高溫處理，進(jìn)一步提升石墨化程度，從而提升能量密度。

石墨化的制造工藝

技術(shù)迭代路徑：坩堝爐→廂式爐→連續(xù)爐，三種工藝方法各有優(yōu)劣。

艾奇遜爐坩堝法是目前石墨化主流生產(chǎn)工藝。將負(fù)極材料均勻放入石墨坩堝內(nèi)，再通過天車吊起平放入石墨化爐中，將電阻料放入爐芯處石墨坩堝外圍，再包覆保溫料，將爐體填滿，即完成裝爐。將爐體裝滿后，即進(jìn)入電加熱過程，通過石墨化爐兩側(cè)的電極進(jìn)行通電加熱，在爐內(nèi)達(dá)到一定溫度后加蓋爐頂并設(shè)置集氣罩，爐內(nèi)溫度將繼續(xù)升至2800 - 3000 ℃，最終將坩堝內(nèi)含碳物質(zhì)在高溫?zé)崽幚硐?，?shí)現(xiàn)減少無定型碳微晶結(jié)構(gòu)邊緣雜質(zhì)，使其具備石墨晶體結(jié)構(gòu)特征。通電加熱結(jié)束后，將爐頂打開，靜置冷卻至材料恢復(fù)常溫，即結(jié)束該生產(chǎn)過程。通常情況下，石墨化工序或提純工序一個(gè)周期將達(dá)到15-22天。

廂式法大幅提高單爐量，降低能耗，頭部負(fù)極企業(yè)逐步導(dǎo)入。石墨化工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是裝爐，廂式爐工藝相較于坩堝法可以提高單爐裝爐量。廂式爐工藝將整個(gè)爐芯空間分成若干個(gè)等容積腔室，負(fù)極材料直接放置于石墨板材所圍成的廂體空間中，石墨板材具有導(dǎo)電性，廂體通電后自身發(fā)熱，在作為負(fù)極材料容器的同時(shí)能夠達(dá)到材料加熱的目的。廂式爐工藝避免了負(fù)極材料重復(fù)裝入、裝出坩堝工作，且由于廂體自身材質(zhì)及形狀特點(diǎn)，廂體之間無需添加保溫電阻料，僅需保留廂體四周與爐壁之間的保溫材料，增大了爐內(nèi)負(fù)極材料的有效容積及使用效率。

連續(xù)式石墨化具有成本、效率、環(huán)保等方面的優(yōu)勢，成為產(chǎn)業(yè)化探索新方向。連續(xù)式石墨化生產(chǎn)過程中沒有斷電，石墨原料經(jīng)過一系列的溫區(qū)從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)石墨化。其原理是先將備好的粒度為1~30 mm的散狀石油焦由上料裝置送入進(jìn)料斗，經(jīng)過干燥、煅燒階段，將產(chǎn)生的蒸汽和揮發(fā)分排出；而后進(jìn)入高溫區(qū)完成石墨化；最終進(jìn)入爐底冷卻器，冷卻到200~300 ℃時(shí)，打開冷卻器底部的閘板出料，自然冷卻至室溫。

影響石墨化的主要因素

影響石墨化的主要因素包括原料、溫度、時(shí)間、壓力和催化劑等。

1）原料：在高溫下容易轉(zhuǎn)化成石墨的無定形碳稱為易石墨化炭（或稱為可石墨化炭）。石油焦、針狀焦等屬于易石墨化炭。易石墨化炭在炭化制備過程中一般經(jīng)歷了溶融狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)中碳分子簇團(tuán)接近相互平行排列。

2）溫度：不同的炭材料，開始石墨化轉(zhuǎn)變溫度不同。石油焦一般在1700℃就開始進(jìn)入石墨化，而針狀焦則要在2000℃左右才能進(jìn)入石墨化的轉(zhuǎn)化階段。加熱溫度越高，電阻率越低、相鄰晶層間距越接近理想石墨晶體的0.3354nm，石墨化程度越高。

3）時(shí)間：石墨化程度和高溫下的停留時(shí)間也有一定的關(guān)系，石墨化溫度越高，進(jìn)入石墨化穩(wěn)定狀態(tài)需要的時(shí)間越短，保溫時(shí)間越長，電阻率越低，石墨化程度就越高。

另外，加壓對石墨化有明顯的促進(jìn)作用；催化劑在一定條件下的添加，可以促進(jìn)石墨化的進(jìn)行，如硼、鐵、娃、鈦、鍵、鎂及其某些化合物等。